Свойства и особенности пен
Пены представляют собой дисперсную систему типа Г/Ж, в которой дисперсной фазой является газ или пар, а дисперсионной средой — жидкость. В качестве дисперсной фазы могут служить пузырьки воздуха, находящиеся в воде. Пены относятся к концентрированным и высококонцентрированным дисперсным системам. Разбавленные дисперсные системы типа Г/Ж, содержание дисперсной фазы которых менее 0,1%, называют газовыми эмульсиями (см. табл. 1.1). В разбавленных системах происходит обратная седиментация — всплытие газовых пузырьков. В концентрированных и высококонцентрированных системах типа Г/Ж, т.е. собственно пенах, пузырьки соприкасаются друг с другом и лишены возможности свободного перемещения.
В отличие от других дисперсных систем, состав которых определяется концентрацией дисперсной фазы [см. формулы (1.8)—(1.10)], пены характеризуются содержанием дисперсионной среды. Так как масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро изменяются, то общее объемное содержание дисперсной фазы характеризуется кратностью пены β, которая показывает, во сколько раз объем пены V ппревышает объем жидкости V ж, необходимый для ее формирования
(16.1)
где V п, V r, V ж, — объем пены, газа и жидкой дисперсионной среды соответственно.
Относительная доля газа ε в пенах равна
(16.1, а)
Доля объема, занятого жидкостью, составляет 1 – ε = 1/β.
Пены называют влажными (низкократными), если β < 10, для сухих (высокократных) пен значение β превышает 100; если 10 ≤ β ≤ 100, то пены называют полусухими.
|
|
|
Пены являются крайне неустойчивыми дисперсными системами. Плотность жидкости в сотни и даже тысячи раз превышает плотность газа, из которого формируются пузырьки пены.
Пены относятся к грубодисперсным системам (см. табл. 1.3). В момент образования пузырьки пены видны невооруженным глазом, а их размеры неодинаковы, т.е. пены — типично полидисперсные системы. С увеличением кратности пены увеличивается объем газовой дисперсной фазы V г, что соответствует уравнению (16.1).
Пены как дисперсные системы типа Г/Ж имеют свои особенности, которые определяются свойствами дисперсной фазы и дисперсионной среды и границей раздела фаз между ними.
Изменение энергии Гиббса, характеризующее избыточную поверхностную энергию, для однокомпонентной системы [см. уравнение (2.1)] в отсутствие химического и электрического взаимодействий (d n i= 0, d q i= 0), в случае изобарно-изотермического процесса (d p = 0, d Т = 0) составляет
d G = σЖГd B; Δ G = σЖГΔ B, (16.2)
где σЖГ— поверхностное натяжение на границе раздела Ж—Г; Δ B — изменение поверхности раздела фаз после пенообразования.
|
|
|
Для самопроизвольного процесса
d G < 0. (16.2, а)
Межфазовое поверхностное натяжение пен, т.е. σЖГ, определяется свойствами жидкости и газовой среды. Если эти свойства не изменяются, то и σЖГбудет величиной постоянной. Поэтому самопроизвольное снижение свободной поверхностной энергии в соответствии с условием (16.2) и (16.2, а) происходит, когда
(16.3)
В самопроизвольных процессах (см. рис. 2.1), когда d G < 0, σЖГ= const, уменьшение энергии Гиббса сопровождается только снижением величины Δ B, что приводит к разрушению пен.
Условие (16.3) означает самопроизвольное сокращение поверхности раздела фаз. Оно также следует из формулы (2.14). У твердых тел условие (16.3) не соблюдается и сохраняется форма частиц и рельеф поверхности. В отношении жидких частиц условие (16.3) проявляется в образовании сферических капель, что имеет место для эмульсий (см, гл. 15). Для пен, обладающих эластичной поверхностью, уменьшение границы раздела фаз означает сжатие пузырьков и их исчезновение, т.е. разрушение пен.
Рис. 16.1. Структура пен в виде пузырьков (а), полиэдрического монослоя (б) и объемных многогранников (в):
1 — пузырьки газа; 2 — жидкость; 3, 4, 5 — пленки (слой жидкости), каналы и узлы
Приводим в качестве примера некоторые параметры, характеризующие пены на основе фторуглеродных ПАВ (общая формула R FСOOХ, где R F— радикал, содержащий атом фтора). Кратность таких пен равна 3—4; время жизни 180—280 с; межфазовое поверхностное натяжение 17,7¸21,3 мДж/м2; поверхностная активность 5,0—7,1 мДж·м/моль; предельная адсорбция (2,39¸3,35) ∙10-6моль/м2.
|
|
|
Термодинамический подход, однако, не позволяет рассмотреть особенности структуры пен, которая определяется формой пузырьков, их размерами и упаковкой. Пузырьки дисперсной фазы пен могут иметь сферическую и многогранную (полиэдрическую) форму (рис. 16.1). Кроме того, различают еще и ячеистую структуру пен. которая образуется при переходе сферической формы пузырьков в полиэдрическую. Подобный переход имеет место, когда кратность пен колеблется в пределах 10—20.
В пене происходит контакт пузырьков, разделенных между собой слоем жидкости. При осуществлении контакта четырех пузырьков одного размера возникает неустойчивое равновесие, которое нарушается и переходит в устойчивое равновесие трех пузырьков. Монослой полиэдрической пены будет иметь регулярную структуру с гексагональной упаковкой.
Пленки жидкости, находящиеся между пузырьками, образуют так называемые треугольники Плато (рис. 16.2). В каждом ребре многогранника сходятся три жидкие пленки, которые являются стенками пузырьков. Эти пленки образуют между собой углы, близкие к 120°. Сечение пленки жидкости пены по линии АА (см. рис. 16.1, в) показано на рис. 16.2. В местах стыков пленок (ребер многогранников) образуются утолщения, которые названы каналами. Каналы формируют в поперечном сечении треугольники. Четыре канала сходятся в одной точке, образуя узлы (см. рис. 16.1, в). Каналы и узлы пронизывают всю структуру пены.
|
|
|
Жидкие пленки в центре плоскопараллельны. Вблизи каналов они утолщены и становятся вогнутыми. В результате возникает капиллярное давление, вызывающее отток жидкости из пленок в каналы (этот отток на рис. 16.2 показан стрелками). Жидкие пленки утончаются.
Под действием гравитации жидкость собирается в каналы и по узлам стекает в нижнюю часть пены. Если для систем T/Ж и Ж/Ж гравитация способствует седиментации частиц дисперсной фазы, то для пен, т.е. систем Г/Ж, гравитация обусловливает сток жидкости, составляющую дисперсионную среду; размер и число пузырьков уменьшается — пена гасится.
Как показали эксперименты, проводимые космонавтами на околоземных орбитах, в условиях невесомости (точнее, микрогравитации), время жизни жидких пен возрастает в десятки и даже в сотни раз. Это объясняется тем, что исключается сток жидкости по каналам и узлам. В земных условиях необходимо применять дополнительные меры по сохранению устойчивости пен.
Пены обладают рядом коллоидно-химических и физико-химических свойств. Для них характерны электроосмос и потенциал течения. Пены способны поглощать и рассеивать свет. В слое жидкости, разделяющем пузырьки пены, возникает расклинивающее давление, а внутри пузырьков — капиллярное давление. Кроме того, пены могут обладать определенной электропроводностью. Для применения пен большое значение приобретает их вязкость.
Кинематическая вязкость пены превышает вязкость воды и зависит от скорости перемещения пены. При скорости 0,2—0,4 м/с кинематическая вязкость пены оставляет (200—300)10–6м2/с, а при меньших скоростях она снижается до (2—5)10 м2/с. Напомним, что кинематическая вязкость есть частное от деления динамической вязкости на удельную массу, для воды она равна 10–6м2/с и не зависит от скорости движения водной среды.
Устойчивость пен
В отношении пен, как и других дисперсных систем, различают агрегативную и седиментационную устойчивость.
Пены относятся к термодинамически неустойчивым лиофобным дисперсным системам. Избыточная поверхностная энергия [см. формулу (16.2)] вызывает процессы, которые ведут к изменению размеров пузырьков пены и к ее разрушению, и определяет агрегативную устойчивость пен. Из всех лиофобных дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой пены самые неустойчивые.
Как уже отмечалось подвижность границы раздела Ж—Г и стекание жидкой дисперсионной среды за счет гравитации приводит к уменьшению размеров пузырьков пены. Одновременно происходят процессы, ведущие к увеличению размеров пузырьков.
К числу их относится диффузия газов (воздуха) из мелких пор в более крупные, а также за счет утончения и прорыва слоя жидкости между пузырьками. Последний процесс по аналогии со слиянием капель называют коалесценцией. Повышение размеров пузырьков сопровождается структурной перестройкой пены — перемещением узлов и каналов, что может способствовать разрушению пены. Кроме того, разрушение пены вызывают внешние факторы, такие как уменьшение или увеличение давления и ряд других.
Основным параметром, характеризующим агрегативную устойчивость пен, является скорость уменьшения в единице объема пены удельной поверхности (v y.п) или увеличения размеров пузырьков за счет их укрупнения (Δ v /у.п). За агрегативную устойчивость (А у) принимают величину, обратную скорости снижения удельной поверхности v у.пили скорости увеличения среднего размера пузырьков v /у.п, а именно
(16.4)
Сопоставление агрегативной устойчивости различных пен v y.п проводят при одинаковом значении удельной поверхности или размеров пузырьков:
На практике оценку агрегативной и седиментационной устойчивости пен проводят при помощи коэффициента устойчивости К У, который выражается уравнением
К у= τp/ V п, (16.5)
где τр, V п— время разрушения и первоначальный объем пены.
Коэффициент устойчивости определяют по времени жизни столба пены определенной высоты, чаще 3 или 5 см. Кроме того, устойчивость пены определяют по времени ее разрушения в зависимости от приложенного давления. Так, время τpдля столба пены высотой 3 см, образованной при использовании альбумина в качестве пенообразователя (0,1 моль/л) при давлении 104Па, составляет 11 ± 2 мин.
Пленки, обрамляющие пузырьки и образованные однокомпонентной жидкостью, спонтанно утончаются до определенной критической толщины разрыва (≈30 нм). Поэтому в однокомпонентной жидкости время жизни пены ничтожно мало; пены разрушаются практически сразу после их образования, т.е. после прекращения механического воздействия. Пенам придают ycтойчивость ПАВ. В присутствии ПАВ по достижении критической толщины пленки не разрываются, а скачкообразно переходят в более тонкие пленки, толщиной 5—10 нм, которые получили название «черные пленки». Эти весьма тонкие пленки не отражают свет и на темном фоне выглядят черными; отсюда их название.
Полиэдрические пены (см. рис. 16.1, в) образуют каркас, который в известной степени придает этим пенам агрегативную устойчивость. Однако эта устойчивость нарушается в результате утончения стенок, укрупнения крупных ячеек пены за счет исчезновения мелких, разрыва пленок жидкости и отекания ее в нижнюю часть пены под действием гравитации.
Когда концентрация дисперсной фазы незначительна и образуются шарообразные пузырьки газа, способные к взаимному перемещению, говорят о седиментационной неустойчивости пен. Пузырьки получают возможность всплывать, и тем самым нарушается седиментационная устойчивость пен.
Для получения пен, а также для придания им необходимой устойчивости применяют специальные вещества, называемые пенообразователями. Пенообразователи могут быть двух типов. Первые из них дают малоустойчивые пены, время жизни которых исчисляется всего десятками секунд. К ним относятся спирты, низшие члены ряда жирных кислот, ряд других ПАВ, не обладающих моющим действием (см. гл. 21).
Ко второму типу пенообразователей относятся мыла и синтетические коллоидные ПАВ (см. параграфы 21.1—21.3). К этому же типу принадлежит ряд природных ВМС, к числу которых относятся белки, желатин и др. Время жизни пен под действием подобных реагентов составляет уже минуты и даже часы.
Пены, полученные встряхиванием воды, исчезают мгновенно. Золи муки способны создавать пену в присутствии пенообразователей первого типа. Взбитые сливки, в состав которых входят пенообразователи второго типа, являются уже более устойчивой системой.
Устойчивость пены в присутствии пенообразователей определяется кинетическим, структурно-механическим и термодинамическим факторами, которые могут действовать отдельно или в совокупности. В случае использования ПАВ эти факторы обусловлены одним и тем же — адсорбцией молекул в тонком слое жидкости оболочки пены. Подобный слой в увеличенном масштабе показан на рис. 16.3. Кинетический фактор связан с изменением поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Если этими фазами являются жидкость (вода) и газ (воздух), то для пен речь идет о поверхностном натяжении σЖГ. В результате изменения поверхностного натяжения замедляется отток жидкости из пены и ее утончение, что приводит к увеличению времени жизни пены.
Адсорбционный слой ПАВ изменяет структуру поверхности границы фаз и определяет механическую
прочность этой структуры. Кроме того, в тонком слое (см. рис. 10.4) возникает расклинивающее давление, которое препятствует утончению пленки и характеризует термодинамический фактор устойчивости.
На практике иногда необходимо исключить пенообразование как нежелательный процесс. Для разрушения образующейся пены применяют различные механические, физические и химические способы. Механические способы осуществляются струей воздуха, с помощью вращательных (мешалок, центрифуг) и других устройств. Физические способы основаны на термическом воздействии (нагрев, охлаждение), использовании электромагнитного излучения и вибрации. Широко распространен химический способ борьбы с пенообразованием путем использования специальных веществ, называемых пеногасителями. К их числу относятся жиры, масла, некоторые ПАВ, эфиры, жирные кислоты и ряд органических соединений. Так, например, при производстве сахара, когда образующаяся пена отрицательно сказывается на выходе готового продукта, в качестве пеногасителя применяют серосодержащие органические соединения.
Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 28; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!